晶片附接應力隔離的製作方法
2023-10-08 06:13:34
專利名稱：晶片附接應力隔離的製作方法
技術領域：
本發明涉及微結構設備，更具體來說涉及使應力敏感微結構設備與封裝應力等隔離。
背景技術：
用於使半導體晶片與封裝應力等隔離的各種設備在本領域中已知。封裝應力或安裝應力是封裝施加在半導體晶片上的應力，其中半導體晶片被安裝到封裝。該應力是由於具有不同的熱膨脹係數的半導體晶片從安裝半導體晶片的封裝和/或從將晶片安裝到封裝的黏合劑而產生。在此等情況下，溫度變化可以導致半導體晶片上的應力/應變，並且取決於晶片的功能，該應力/應變可能損害性能。根據如何將晶片安裝到封裝以及如何將封裝自身安裝在其環境中，機械安裝效應也可以導致封裝應力。在封裝應力的一個實例中，傳統的壓電電阻MEMS壓力傳感器封裝被設計成感測由於施加的壓力而導致的隔膜上的應力。因此，重要的是，壓電電阻器經受的唯一的應力是由於施加的壓力而不是由於封裝應力而產生的。在此等傳感器封裝中，其中通常將MEMS晶片直接安裝到金屬封裝，由於如上文解釋的機械安裝應力和熱膨脹應力，可以存在顯著的封裝應力。此等傳感器封裝是廉價的，但是隔膜上的封裝應力使壓力測量在精度方面存在問題。封裝應力如何可以破壞微結構設備的正常運作的另一實例是在測量質量塊的較小偏轉以確定加速度的MEMS加速度計中。對此等設備施加的封裝應力可能引起設備中的質量塊與傳感結構之間的不良的偏轉，這可導致加速度的錯誤讀數。受封裝應力負面影響的其他示例性設備包括用於感測角運動的MEMS陀螺儀、溫度傳感器等。用以最小化不利的封裝 應力和應變的典型方法包括使用順從式黏合，如軟黏合劑或彈性黏合劑。這種方法是相當廉價和容易製造的並且提供部分應力消除，但是具有某些缺點，包括加工(即，固化)、滲氣、在溫度範圍內不一致的機械性質和潛在介質不兼容。其他方法包括固定安裝方法，如融合、熔接、焊接、銅焊、陽極和共晶附接。這些方法可以提供有利的介質兼容、更一致的機械性質，並且可以比其他技術更穩健，但是可能花費更多、可能需要專業的加工裝備和工序以及更高的溫度處理，並且可以是潛在的應力誘發器。其他的方法包括MEMS結構添加物，如彈簧和安裝基座幾何圖形。這些技術提供潛在優點，如彈簧與MEMS結構一體成型、可能不需要額外的應力消除，以及潛在更小的尺寸。然而，這些技術具有缺點，包括比其他技術更高的開發成本和需要解決的機械共振問題。通常，一起利用多種方法(例如，上文的那些方法)以解決封裝應力。例如，在一些傳統的MEMS壓力傳感器封裝中，通過使包圍隔膜的上部和後部晶片變厚、在封裝與MEMS晶片之間添加高縱橫比的基座，以及使用大型定製的封裝以容納全部來實現封裝應力緩解。這些測量已被發現在用這樣配置的傳感器封裝進行的測量精度上提供數量級的增加。然而，應力緩解特徵增加了傳感器封裝的成本和尺寸。此等常規的方法和系統一般被認為是令人滿意的以實現其預期的目的。然而，在本領域中仍需要允許改善封裝應力緩解的微結構設備封裝。在本領域中也需要容易製造和使用的此等設備。本發明提供這些問題的解決方案。
發明內容
本發明針對一種新型和有用的微結構設備封裝。封裝包括被配置來和適於容納微結構設備的封裝外殼。託架被容納在封裝外殼中。託架包括託架底座並且具有第一託架臂和第二託架臂，每個託架臂從託架底座延伸。通道被界定在第一託架臂與第二託架臂之間。第一託架臂界定相對於通道面向內的第一安裝表面。第二託架臂界定相對於通道面向外的第二安裝表面。託架的第二安裝表面被安裝到封裝外殼。微結構設備被安裝到通道中的第一安裝表面。託架被配置來和適於使微結構設備與從託架的第二安裝表面上的封裝外殼施加的封裝應力隔離。在某些實施方案中，微結構設備包括上部晶片部件和底部晶片部件，且應力敏感部件容納於其間。上部晶片部件被安裝到託架的第一安裝表面。應力敏感部件可以是加速度計、陀螺儀或其他慣性傳感器，其中加速度計包括傳感板，其中傳感板上的第一電極與底部晶片部件上的第二電極相對，使得傳感板與底部晶片部件的相對運動引起第一電極和第二電極上的電容變化。間隙可以被界定在第二託架臂與微結構設備之間，例如，在第二託架臂與微結構設備的底部晶片部件之間。間隙也可以被界定在託架底座與微結構設備之間，例如，在託架底座與微結構設備的上部晶片部件和底部晶片部件之間。預期微結構設備到託架的唯一的剛性附接可以在託架的第一安裝表面上，例如，其中上部晶片部件被安裝到託架的第一安裝表面。也預期第一託架臂和第二託架臂彼此的唯一的剛性連接可以通過託架底座。根據另一例性實施方案,一種微結構設備封裝包括封裝外殼和具有底座部分的微結構設備，其中應力敏感部件和上部晶片被安裝到底座部分。微結構設備的上部晶片被安裝到封裝外殼，以使底座部分和應力敏感部件與封裝應力隔離。封裝外殼可以包括懸跨在兩個柱或任何其他 適合數量的柱上的橋襯底，該柱從封裝外殼的表面延伸，其中微結構設備的上部晶片被安裝到橋襯底。對本領域技術人員而言，本發明的系統和方法的這些和其他特徵從優選實施方案的以下詳細描述結合附圖將變得更加顯而易見。
為了讓本發明屬於的本領域技術人員將容易地理解如何製造和使用本發明的設備和方法而無需過多的實驗，下文將參照某些圖詳細地描述本發明的優選實施方案，其中:圖1為現有技術MEMS設備封裝的分解透視圖，其示出從MEMS加速度計移除的上部晶片;圖2為圖1的MEMS加速度計的橫截面立視圖，其示出處於非加速狀態的傳感板和底部晶片；圖3為圖2的MEMS加速度計的橫截面立視圖，其示出處於加速狀態的相對於彼此移動的傳感板和底部晶片；
圖4為根據本發明建構的微結構設備封裝的示例性實施方案的透視圖，其示出通過應力隔離託架被安裝到封裝外殼的微結構設備；圖5為圖4的應力隔離託架和微結構設備的分解透視圖，其示出用於將微結構設備附接至託架的安裝位置；圖6為圖4的微結構設備封裝的一部分的正視圖，其示出應力隔離託架與微結構設備之間的間隙；圖7為圖6中指示的微結構設備封裝的部分的橫截面側視圖，其示出容納在微結構設備的上部晶片部件和底部晶片部件內的MEMS加速度計；圖8為根據本發明建構的微結構設備封裝的另一示例性實施方案的透視圖，其示出通過懸掛在兩個柱之間的橋襯底被安裝到封裝外殼的微結構設備；圖9為圖8的微結構設備、橋襯底和柱的分解透視圖；圖10為圖8的微結構設備封裝的側視圖，其示出微結構設備與柱和封裝外殼之間的間隔；以及圖11為根據本發明建構的微結構設備封裝的另一示例性實施方案的橫截面立視圖，其示出具有黏合到封裝外殼的上部襯底的微結構設備。
具體實施例方式現在將參考附圖，其中相同的參考數字識別本發明的類似的結構特徵或方面。為了解釋和說明而不是限制，根據本發明的微結構設備封裝的示例性實施方案的局部視圖在圖4中被示出且一般由參考字符100指定。如將描述的，在圖5至圖7中提供根據本發明的微結構設備封裝的其他實施方案或方面。本發明的系統和方法可以用於使微結構設備與封裝應力隔離。`現在參看圖1，將示例性MEMS加速度計10示出為安裝在封裝12中的晶片。加速度計10包括直接被安裝到封裝12的底部晶片14。上部晶片16被安裝到底部晶片14，其中傳感板18被容納在上部晶片16與底部晶片14之間。圖2和圖3示出傳感板18的操作如何可以提供加速度的傳感器讀數。如圖2中所示，當處於靜止狀態時，質量塊包括平衡在錨部分24上的實心側20和空心側22。電容器電極板26形成在質量塊的下面上和底部晶片14的上面上，如圖2中所定向。在加速框架中，如圖3中所示，其中加速度的方向由粗箭頭指示，存在使環繞錨部分24稍微旋轉的質量塊偏轉的力失衡。這種偏轉改變了傳感板18的面向的電容器電極板26與底部晶片14之間的間距。相應的電容變化可以被監視以產生加速度的測量。關於這種類型的加速度計的進一步的細節提供在Guo的美國專利號7，736,931中，該專利以全文引用的方式併入本文。作用於底部晶片14的應力可以使底部晶片14稍微扭曲。這種扭曲可以影響面向的電容器電極板26之間的間距，並且底部晶片14上的應力可以由此導致加速度的錯誤的讀數。此應力的一個常見來源為如上文所描述的封裝應力，該封裝應力作用於封裝12與底部晶片14之間，其中二者一起被安裝。現在參看圖4，微結構設備封裝100包括用於緩解封裝應力的託架102。封裝100包括被配置來和適於容納MEMS加速度計106的封裝外殼104，其為如下文所描述的已安裝的晶片。託架102被容納在封裝外殼104中。封裝外殼104包括蓋子，該蓋子未被示出以便顯露其內的結構。現在參照圖5，託架102包括託架底座108並且具有第一託架臂110和第二託架臂112，每個託架臂從託架底座108延伸。通道114被界定在第一託架臂110與第二託架臂112之間。第一託架臂110界定相對於通道114面向內的第一安裝表面116。第二託架臂112界定相對於通道114面向外的第二安裝表面118。託架102的第二安裝表面118被安裝到封裝外殼104，如圖4中所示。MEMS加速度計106被安裝到通道114中的第一安裝表面116。MEMS加速度計106包括上部晶片部件120和底部晶片部件122，其中應力敏感部件(即，很像上文所描述的傳感板18的電極和傳感板124)被容納於其間。上部晶片部件120被安裝到託架102的第一安裝表面116，如圖4和圖5中所示的黏合劑126所指示。黏合劑126可以是填銀環氧樹脂或任何其他適合的材料。接合線128在MEMS加速度計106的觸點130之間電連接到任選的機上電子器件132，進而被連接到封裝外殼104的觸點131以用於將指示加速度的電信號傳達到外部部件。現在參看圖6至圖7，託架102被配置來和適於使MEMS加速度計106與從託架102的第二安裝表面118上的封裝外殼104施加的封裝應力隔離。間隙A被界定在第二託架臂112與MEMS加速度計106之間，即，在第二託架臂112與MEMS加速度計106的底部晶片部件122之間。圖6中指示的第二間隙B被界定在託架底座108與MEMS加速度計106之間，即，在託架底座108與MEMS加速度計106的上部晶片部件120和底部晶片部件122之間。因此，MEMS加速度計106到託架102的唯一的剛性附接是在託架102的第一安裝表面116上，即，其中黏合劑126將上部晶片部件120被安裝到第一安裝表面116。也應注意，託架102具有大體c形橫截面(如圖6中所示)，其中第一託架臂110和第二託架臂112彼此的唯一的剛性連接是通過託架底 座108。在該配置中，由於連接在應力的來源與應力敏感部件之間的介入上部晶片部件120、第一託架臂110、託架底座108和第二託架臂112，故底部晶片122和與其相關聯的應力敏感部件(如圖7中所示的傳感板124)與由封裝外殼104施加的任何應力隔離。換句話說，因為底部晶片部件122不直接粘附至封裝外殼104，所以封裝外殼104的很少或沒有應力可以影響電容器電極板的間距以導致錯誤的讀數。該應力減緩結構允許MEMS加速度計106的傳感器讀數的更大的靈敏度和可靠性，並且可以被證明提供實質性的偏置和比例因子重複性改進。託架102可以有利地由具有與上部晶片部件120的熱膨脹係數匹配的熱膨脹係數以減少熱膨脹差異的材料製成。例如，託架102和上部晶片部件120均可以由矽製成，其中可以用切割鋸、矽蝕刻或任何其他適合的方法形成通道114。本領域技術人員將容易地了解，在不脫離本發明的精神和範圍的情況下可以使用任何適合的材料和安裝方法。託架102的覽度W可以對應力隔尚有影響。一般地，覽度W越小，頭現的應力隔尚的程度越大。這是部分地因為由較小寬度的基座提供的更有利的縱橫比。這也是至少部分地因為黏合劑126的材料與託架102和上部晶片部件120的材料之間的熱膨脹差異。現在參照圖8，另一示例性微結構設備封裝200包括非常像上文所描述的MEMS加速度計106的MEMS加速度計206。MEMS加速度計206由其上部晶片從橋襯底202懸掛，橋襯底202橫跨在從封裝外殼204的表面延伸的兩個柱203上。可以使用任何其他適合數量的柱203。該橋結構以與上文所描述的託架102幾乎一樣的方式向MEMS加速度計206內的應力敏感部件提供應力隔離。如圖9中示意地指示，橋結構也提供製造的優點，這是因為可以使用標準自動化製造裝備來製造橋結構。在將MEMS加速度計206安裝到封裝外殼204之前，將其黏合或以其他方式連接到橋襯底202。在潛在的平行工序中，柱203被附接於或形成於封裝外殼204上。然後，橋襯底可以被安裝以從柱203橫跨至柱203上，其中MEMS加速度計206已被附接。如圖10中所示，所得結構提供MEMS加速度計206與每個柱203之間的間隔C，以及MEMS加速度計206與封裝外殼之間的間隔D，這些間隔類似於上文所描述的間隔A和間隔B。現在參看圖11，微結構設備封裝300的另一示例性實施方案包括MEMS加速度計306 (與上文所描述的相類似)，已經將其上部晶片黏合或以其他方式直接安裝到封裝外殼304，S卩，例如使MEMS加速度計306相對於圖7中所示的實施方案倒置。也預期可以將內插器部件安裝在封裝外殼304與上部晶片之間。通過上部晶片安裝MEMS加速度計306使MEMS加速度計306內的底座部分和應力敏感部件與封裝應力隔離，該封裝應力不可以直接作用於MEMS加速度計的底座部分。為了促進MEMS加速度計306與其他部件的電連接，矽通孔307形成於底座部分中，從而將在MEMS加速度計306內的部件連接到在MEMS加速度計306外部的電接合線襯墊330，可以將接合線328連接到MEMS加速度計306。本文在MEMS加速度計的示例性上下文中描述本發明的系統和方法。然而，本領域技術人員將顯而易見的是，在不脫離本發明的精神和範圍的情況下，本文所描述的系統和方法可以以極大的優勢應用於其他微結構晶片和設備，如壓力傳感器、陀螺儀、其他慣性傳感器或任何其他適合類型的設備。如上文所描述並且在圖中所示的本發明的方法和系統提供具有優良性質(包括應力敏感微結構設備的封裝應力隔離)的微結構設備封裝。儘管已參照優選實施方案示出和描述本發明的裝置和方法，但是本領域技術人員將容易地了解，在不脫離本發明的精神和範圍的情況下可以對本發 明做出變化和/或修改。
權利要求
1.一種用於微結構設備的應力隔離託架，其包括託架底座並且具有第一託架臂和第二託架臂，每個託架臂從所述託架底座延伸，且通道被界定於其間，所述第一託架臂界定用於附接至微結構設備並且相對於所述通道面向內的第一安裝表面，所述第二託架臂界定相對於所述通道面向外以附接至用於容納所述微結構設備的封裝的第二安裝表面，其中所述通道被配置來接收其中被附接至所述第一託架臂的所述第一安裝表面的微結構設備，並且其中所述託架被配置來和適於使所述第一安裝表面與施加在所述第二安裝表面的封裝應力隔離。
2.如權利要求1所述的用於微結構設備的應力隔離託架，其中通過所述託架底座僅使所述第一託架臂和所述第二託架臂彼此剛性連接。
3.一種微結構設備，其包括: 託架，其具有託架底座並且包括第一託架臂和第二託架臂，每個託架臂從所述託架底座延伸，且通道被界定於其間，所述第一託架臂界定相對於所述通道面向內的第一安裝表面，所述第二託架臂界定相對於所述通道面向外的第二安裝表面；和 微結構設備，其被安裝到所述通道中的所述第一安裝表面，其中所述託架被配置來和適於使所述微結構設備與施加在所述第二安裝表面的封裝應力隔離。
4.如權利要求3所述的微結構設備，其中所述微結構設備包括上部晶片部件和底部晶片部件，且應力敏感部件被容納於其間，其中所述上部晶片部件被安裝到所述託架的所述第一安裝表面。
5.如權利要求3所述的微結構設備，其中間隙被界定在所述第二託架臂與所述微結構設備之間。
6.如權利要求3所述的微結構設備，其中間隙被界定在所述託架底座與所述微結構設備之間。
7.如權利要求3所述的微結構設備，其中所述微結構設備僅在所述託架的所述第一安裝表面被剛性附接至所述託架。
8.如權利要求3所述的微結構設備，其中所述微結構設備包括上部晶片部件和底部晶片部件，且慣性傳感器被容納於其間，其中所述慣性傳感器包括傳感板，所述傳感板上的第一電極與所述底部晶片部件上的第二電極相對，使得所述傳感板與所述底部晶片部件的相對運動引起所述第一電極和所述第二電極上的電容變化，其中所述上部晶片部件被安裝到所述託架的所述第一安裝表面。
9.如權利要求8所述的微結構設備，其中間隙被界定在所述第二託架臂與所述微結構設備的所述底部晶片部件之間。
10.如權利要求8所述的微結構設備，其中間隙被界定在所述託架底座與微結構設備的所述上部晶片部件和所述底部晶片部件之間。
11.如權利要求8所述的微結構設備，其中僅在所述上部晶片部件被安裝到所述託架的所述第一安裝表面的情況下，將所述微結構設備剛性附接至所述託架。
12.—種微結構設備封裝，其包括: 封裝外殼，其被配置來和適於容納微結構設備； 託架，其被容納在所述封裝外殼中，所述託架具有託架底座並且包括第一託架臂和第二託架臂，每個託架臂從所述託架底座延伸，且通道被界定於其間，所述第一託架臂界定相對於所述通道面向內的第一安裝表面，所述第二託架臂界定相對於所述通道面向外的第二安裝表面，其中所述託架的所述第二安裝表面被安裝到所述封裝外殼；和 微結構設備，其被安裝到所述通道中的所述第一安裝表面，其中所述託架被配置來和適於使所述微結構設備與從所述託架的所述第二安裝表面上的所述封裝外殼施加的封裝應力隔離。
13.如權利要求12所述的微結構設備封裝，其中所述微結構設備包括上部晶片部件和底部晶片部件，且應力敏感部件被容納於其間，其中所述上部晶片部件被安裝到所述託架的所述第一安裝表面。
14.如權利要求12所述的微結構設備封裝，其中間隙被界定在所述第二託架臂與所述微結構設備之間。
15.如權利要求12所述的微結構設備封裝，其中間隙被界定在所述託架底座與所述微結構設備之間。
16.如權利 要求12所述的微結構設備封裝，其中所述微結構設備僅在所述託架的所述第一安裝表面被剛性附接至所述託架。
17.如權利要求12所述的微結構設備封裝，其中所述微結構設備包括上部晶片部件和底部晶片部件，且慣性傳感器被容納於其間，其中所述慣性傳感器包括傳感板，所述傳感板上的第一電極與所述底部晶片部件上的第二電極相對，使得所述傳感板與底部晶片部件的相對運動引起所述第一電極和所述第二電極上的電容變化，其中所述上部晶片部件被安裝到所述託架的所述第一安裝表面。
18.如權利要求17所述的微結構設備封裝，其中間隙被界定在所述第二託架臂與所述微結構設備的所述底部晶片部件之間。
19.如權利要求17所述的微結構設備封裝，其中間隙被界定在所述託架底座與所述微結構設備的所述上部晶片部件和所述底部晶片部件之間。
20.如權利要求17所述的微結構設備封裝，其中僅在所述上部晶片部件被安裝到所述託架的所述第一安裝表面的情況下，將所述微結構設備剛性附接至所述託架。
21.—種微結構設備封裝，其包括封裝外殼和具有底座部分的微結構設備，且應力敏感部件和上部晶片被安裝到所述底座部分，其中所述微結構設備的所述上部晶片被安裝到所述封裝外殼，以使所述底座部分和應力敏感部件與封裝應力隔離。
22.如權利要求21所述的微結構設備封裝，其中所述封裝外殼包括懸跨在從所述封裝外殼的表面延伸的多個柱上的橋襯底，其中所述微結構設備的所述上部晶片被安裝到所述橋襯底。
全文摘要
本發明涉及晶片附接應力隔離。一種微結構設備封裝包括被配置來和適於容納微結構設備的封裝外殼。託架容納在所述封裝外殼中。所述託架包括託架底座並且具有第一託架臂和第二託架臂，每個託架臂從所述託架底座延伸。通道被界定在所述第一託架臂與所述第二託架臂之間。所述第一託架臂界定相對於所述通道面向內的第一安裝表面。所述第二託架臂界定相對於所述通道面向外的第二安裝表面。所述託架的所述第二安裝表面被安裝到所述封裝外殼。微結構設備被安裝到所述通道中的所述第一安裝表面。所述託架被配置來和適於使所述微結構設備與從所述託架的所述第二安裝表面上的所述封裝外殼施加的封裝應力隔離。
文檔編號B81B7/00GK103232021SQ20131001670
公開日2013年8月7日 申請日期2013年1月16日 優先權日2012年1月17日
發明者M·A·奇爾德裡斯, N·T·丁, J·C·戈爾登 申請人:羅斯蒙特航天公司